Материаловедение для электриков в вопросах и ответах. Учебное пособие

77. От чего зависит электри- ч е с к а я прочность газов?

Электрическая прочность газов зависит в первую очередь от следующих факторов.

А) Давление. При увеличении давления уменьшаются расстояния между молекулами. Разгоняющемуся электрону необходимо на более коротком пути разгона (называемом длиной свободного пробега) получить энергию, достаточную для ионизации атома. Эта энергия определяется в первую очередь конечной (в момент соударения) скоростью электрона. Большего ускорения электрон может достичь за счет увели-

чения действующей на него силы – напряженности электрического по-

ля. Экспериментальная зависимость пробивного напряжения газового промежутка от произведения давления р на величину промежутка h называется кривой Паше´на. Минимальное значение пробивного напряжения для воздуха при ph = 0,7 Па·м составляет примерно 330 В. Левее указанного значения ph электрическая прочность возрастает из-за малой вероятности столкновения электронов с молекулами газа.

Б) Сродство молекулы газа к электрону, электроотрицательность га-

за. Сродство к электрону – это способность некоторых нейтральных атомов имолекулприсоединятьдобавочныеэлектроны, превращаясь вотрицательные ионы. В электроотрицательных газах, состоящих из атомов с высоким сродством к электрону, требуется более высокая энергия разгона электроновэлектрическимполемдляобразованияэлектроннойлавины.

диэлектриках невозможнаударная иониизация как первопричина электрического пробоя?

ложения молекул механизм ударной ионизации в жидком диэлектрике не реализуется.

Энергия ударной ионизации составляет примерно W = 5 эВ. Эту же энергию можно выразить как произведение заряда электрона на напряженность поля (qE – действующая на электрон сила) и на длину сво-

бодного пробега (λ ≈ 5·10–7м): W = eЕпрλ. Если вычислить из этого выражения электрическую прочность, то получим

Реальноэлектрическаяпрочностьжидкостейсоставляет20…40 кВ/мм.

Испытания жидких диэлектриков на электрическую прочность проводят, как правило, на переменном напряжении, в стандартных разрядниках.

Стандартный разрядник для испытаний жидких диэлектриков содержит электроды со сферической поверхностью, расстояние между которыми 2,5 мм.

Пробивное напряжение качественного трансформаторного масла должно превышать 50 кВ и может достигать 70 кВ. (По теории ударной ионизации расчетное пробивное напряжение составляет 2…3 МВ).

Электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается:

при очистке от твердых проводящих микрочастиц (сажа, уголь

ит.п.);

сушке жидкости (удалении воды);

дегазации жидкости (вакууммировании, удалении газов);

повышении давления.

81.Назовите значениепробивного напряжения качественного трансформаторного масла в стандартном разряднике

82.Как можно повысить электрическую прочность жидкого диэлектрика?

При электрическом пробое под действием приложенного напряжения разрываются химические связи и вещество перерабатывается в плазму. Электрическая прочность твердого диэлектрика пропорцио-

нальна энергии химических связей.

84. Опишите явление электрическогопробоя твердогодиэлектрика

85. В чем причина теплового пробоядиэлектрика?

86. Что такое части ч н ы й разряд?

Причиной теплового пробоя является разогрев диэлектрика, чаще всего за счет диэлектрических потерь, когда мощность потерь превышает мощность, отводимую от диэлектрика.

При повышении температуры увеличиваются электропроводность (за счет увеличения числа носителей) и угол диэлектрических потерь, что приводит к дополнительному росту энерговыделения и снижению электрической прочности. В результате разогрева диэлектрик пробива-

ется при более низкой напряженности электрического поля, чем при электрическом виде пробоя.

При наличии в твердом диэлектрике газовых включений (пузырьков) в последних могут возникать частичные разряды.

Частичным разрядом (ЧР) называют разряд, проходящий в какойлибо ограниченной области изоляционного промежутка и не замыкающий весь промежуток. Одним из примеров частичного разряда является коронный разряд в газах в неравномерном электрическом поле, когда стримером пробивается лишь область с большой напряженностью электрического поля вблизи электрода (например, вокруг провода высоковольтной линии электропередачи). В жидких диэлектриках частичные разряды возникают в пузырьках и у электродов, в местах повышенной напряженности электрического поля. В твердых телах ЧР – это многолавинный разряд в газовой поре.

87. При каких условиях воз- н и к а ю т частичные разряды в твердом диэлектрике?

Для возникновения частичного разряда в твердом диэлектрике необходимы два условия:

наличие воздушного включения, напряженность поля в котором выше, чем в самом диэлектрике;

напряжение, приложенное к диэлектрику, должно быть достаточным для того, чтобы напряженность поля в воздушном включении превысила пробивную.

При переменном поле, приложенном к диэлектрику, частичные разряды возникают на каждом полупериоде при достижении напряжением пробивного значения. Длительные периодические ЧР химически разрушают диэлектрик, увеличивают диэлектрические потери, что в конечном итоге приводит к пробою диэлектрика.

88. Каков порядок электри- ч е с к о й прочности у твердых диэлектриков?

Качественные твердые диэлектрики, как правило, имеют более высокую электрическую прочность, чем жидкие и газообразные. Например, при электрическом пробое:

электротехническая керамика (фарфор) ≈ 25…30 кВ/мм;

полиэтилен ≈ 30 кВ/мм;

поливинилхлорид ≈ 40 кВ/мм;

изоляционное стекло ≈ 70 кВ/мм.

При тепловой форме пробоя и при пробое под действием ЧР электрическая прочность этих диэлектриков ниже.

34

К слабопроводящим (полупроводящим) материалам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением, лежащим в диапазоне от 10–6 до 10+7 Ом·м. Другой особенностью большинства простых и сложных полупроводников является наличие запрещенной зоны энергий, «ширина» которой составляет от 0,3 до 2 эВ. Кроме того, у многих полупроводящих материалов вольт-амперная характеристика – нелинейная. К слабопроводящим материалам, применяемым в электроэнергетике и силовой электротехнике, относятся:

кремний (используется в силовых выпрямителях на кремниевых

диодах);

оксидно-цинковая керамика (основа нелинейных ограничителей перенапряжений);

вилит (элемент вентильного разрядника);

бетэл (материал для шунтирующих резисторов высоковольтных выключателей);

эком (используется для изготовления резисторов и низкотемпературных нагревателей).

8 9 . Мате-

риалы с какими характери- с ти к а м и относятся к слабопроводящим ( полупроводящим)?

91.Чтотакое статическое сопротивление нелинейного резистора, динамическоесопротивлениенелинейного резистора?

92. Что такое коэффициент нелинейности?

Статическим сопротивлением нелинейного резистора Rст в заданной точке вольт-амперной характеристики называют отношение напряжения на варисторе U к току I, протекающему через него:

Rст UI .

Динамическим сопротивлением нелинейного резистора Rдин называют производную напряжения по току в заданной точке вольтамперной характеристики:

Rдин UI .

Коэффициентом нелинейности β называют отношение статического сопротивления к динамическому:

Rст .

Rдин

Вольт-амперная характеристика нелинейного резистора описывает-

ся выражением

I = BUβ.

93. Назо-

вите состав и нарисуйте вольт-ам- перную характеристику вилита

2.3.2. ПОЛУПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Вилит – это композиционный слабопроводящий материал, проводящим наполнителем которого служит карбид кремния (SiC, черный карборунд) – мелкодисперсный (10–2…10–1 мм) порошок с удельным сопротивлением меньше 0,01 Ом·м. Зерна карборунда покрыты снаружи тонкой пленкой окиси кремния, удельное сопротивление которой 104…106 Ом·м. Связкой вилита служит жидкое стекло (75 % SiO2 + 24 % Na2O + вода) с добавкой порошка мела (CaCO3) до общей плотности 1,48 Мг·м–3. Соотношение компонентов: 84 % – карборунд, 16 % – связка. Из указанной массы прессуются цилиндрические изделия и обжигаются при температуре 380 °С.

Коэффициент нелинейности варистора из вилита лежит в пределах 4,5…5,6, и вольт-амперная характеристика качественно выглядит следующим образом:

U

I

36

Вилитовые диски использутся в вентильных разрядниках – аппаратах для защиты от перенапряжений. Благодаря такой вольт-амперной характеристике ток в искровых промежутках разрядника при восстановлении в сети нормального напряжения резко снижается и гаснет при прохождении через ноль. Вентильный разрядник снижает крат-

ность перенапряжений до 3,5.

Оксидно-цинковая керамика состоит в основном из зерен оксида цинка (в составе керамики более 96 % ZnO). Вольт-амперная характеристика оксидно-цинковой керамики имеет коэффициент нелинейности β = = 15…50, значение которого уменьшается с ростом тока. Качественно

вольт-амперная характеристика ZnO выглядит следующимобразом:

U

I

На основе оксидно-цинковой керамики создан принципиально но-

вый аппарат – ОПН – нелинейный ограничитель перенапряжений.

ОПН позволяет снизить кратность перенапряжений до 2…2,5.

Бетэл (бетон электропроводный) – композиционный слабопроводящий линейный материал. Проводящим наполнителем бетэла является мелкодисперсный поликристаллический графит с добавкой нескольких процентов сажи. Связкой бетэла служит цементный камень. Бетэл, как правило, содержит инертный наполнитель – песок. Диапазон значений удельного сопротивления бетэла 0,01…10 Ом·м. Бетэл применяется для изготовления мощных резисторов с кратковременным режимом работы, например для шунтирования контактов высоковольтного выключателя. Недостатком бетэла является быстрое старение, в результате которого растет сопротивление материала.

Эком (электропроводящая композиция) – композиционный слабопроводящий линейный материал. Проводящим наполнителем экома является мелкодисперсный силицированный графит (графит с небольшим содержанием карборунда – SiC ). Связкой экома является фосфат железа FePO4, получаемый при изготовлении материала в результате реакции окиси железа Fe2O3 с ортофосфорной кислотой H3PO4. В состав экома также входит порошок корунда (Al2O3), который служит дополнительным поглотителем и распределителем тепла, выделяющегося в экоме при протекании тока. Эком можно получить с удельным сопротивлением от 10–3 до 106 Ом·м. В электроэнергетике эком используется в низкотемпературных нагревателях и мощных резисторах, предназначенных для длительного протекания тока.

37

9 4 . Нари-

су й т е вольт-ам- перную характеристику и рас-

ск а ж и те о применении оксид- но-цинко- вой керамикивэнергетике

95.Назовите состав и диапазон значений удельного электри- ч е с к о г о сопротивления бетэла

96.Назовите состав и диапазон значений удельного электри- ч е с к о г о сопротив- л е н и я экома

9 7 . Какие материалы относятся к магнитным и что является их главной характеристикой?

98. Какие б ы в а ю т к р и в ы е намагничивания и к а к и е параметры магнитного материала они опреде - ляют?

2.4.МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.4.1.СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Кмагнитным материалам относятся материалы с упорядоченной магнитной структурой и большой магнитной восприимчивостью: ферромагнетики и ферримагнетики.

Комплекс магнитных свойств магнитного материала описывается кривыми намагничивания–размагничивания (зависимостью индукции

вматериале от напряженности переменного магнитного поля) – петлями гистерезиса (hysteresis – отставание, запаздывание). Наиболее информативной является предельная петля гистерезиса, когда индукция в материале достигает максимально возможного значения для взятого образца (материал полностью намагничен).

Начальная кривая намагничивания – зависимость от напряжен-

ности внешнего магнитного поля намагниченности материала (кривая по намагниченности) или индукции в материале (кривая по индукции), снятая на предварительно термически размагниченном материале.

Основнаякриваянамагничивания– зависимостьотнапряженности

внешнего магнитного поля намагниченности материала (кривая по намагниченности) или индукции в материале (кривая по индукции), объединяющая вершины петель магнитного гистерезиса, полученных при последова-

тельновозрастающихнапряженностяхвнешнегомагнитногополя.

По кривым намагничивания можно определить:

начальную магнитную проницаемость μнач (при напряженности магнитногополяна начальнойкривойнамагничивания, близкойк нулю);

максимальную магнитную проницаемость μмакс (в точке кривой намагничивания с максимальным значением производной);

индукцию технического насыщения Внас (индукция полного намагничивания образца, определяемая экстраполяцией из области напряженности магнитных полей, соответствующих полному намагни-

чиванию, к нулевому значению напряженности магнитного поля).

Кривая намагничивания показана на рисунке.

Предельная петля гистерезиса определяет следующие параметры магнитного материала.

Остаточная индукция Вост – индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности технического насыщения и уменьшения напряженности внешнего маг-

нитного поля до нуля.

Коэрцитивная сила Нс. Коэрцитивная сила по индукции – ве-

личина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной до нуля.

Коэрцитивная сила по намагниченности – величина, равная

напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности от остаточной до нуля.

Магнитные потери на гистерезис – потери энергии на пере-

магничивание (см. ниже), пропорциональные площади, охватываемой петлей гистерезиса.

Петля гистерезиса представлена на рисунке.

100. Какие параметры магнитного материала можно опреде - л и т ь п о предельной петле гистерезиса?

101. Назо-

вите виды магнитных потерь

102. По ка-

кому параметру раз- л и ч а ю т магнито- м я г к и е и магнитотвердые материалы?

Потери на перемагничивание (на гистерезис) – потери энергии,

нагревающие магнитный материал и связанные с перестройкой магнитных доменов в переменном магнитном поле. Удельная мощность потерь, расходуемых на гистерезис, пропорциональна максимальному

значению индукции Вмакс (возникающей в материале при перемагничивании) в степени 1,6…2,0 и частоте f:

Pгист ~ B(1,6…2) f.

Потери на перемагничивание малы у магнитомягких материалов и велики у магнитотвердых.

Потери на вихревые токи – потери энергии, нагревающие магнитный материал и обусловленные индуктированными в нем переменным магнитным полем вихревыми токами, бо´льшими при бо´льшей электропроводности материала. Удельная мощность потерь, расходуемых на вихревые токи,

пропорциональна квадрату максимального значения индукции Вмакс (возникающейвматериалеприперемагничивании) иквадратучастоты f:

Pвихр ~ B2 f2.

Потери на вихревые токи малы у материалов с большим удельным электрическим сопротивлением и велики, если сопротивление мало.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы различают по значению коэрцитивной силы. Условная граница – 4000 А/м.

У магнитомягких материалов коэрцитивная сила, как правило, ниже 800 А/м. Эти материалы используются, например, для магнитопроводов электрических машин переменного тока, и малая коэрцитивная сила обусловливает малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы имеют коэрцитивную силу более 4000 А/м. Они также имеют большую остаточную индукцию и используются как материалы для постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы имеют малую площадь петли гистерезиса, а магнитотвердые – большую.

числите

известные вам виды магнитных материалов

нитных материалов:

электротехническая сталь;

магнитомягкие сплавы;

магнитомягкие ферриты;

магнитодиэлектрики;

магнитотвердые закаливаемые стали;

магнитотвердые сплавы;

магнитотвердые ферриты;

магнитные материалы специального назначения (термомагнитные, магнитострикционные, спрямоугольнойпетлейгистерезисаит. д.).

40